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<title>FreeRTOS-使用互斥量（mutex）保护共享数据 | fx</title>
  






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          FreeRTOS-使用互斥量（mutex）保护共享数据
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    <div class="post-body" itemprop="articleBody">
        <center>
FreeRTOS 为多任务可以，安全地并发访问共享数据，提供了多种数据保护方案。例如，简单直接的关中断；关闭内核调度器；使用信号量。但应用开发最推荐的，是使用FreeRTOS提供的互斥量（mutex）来保护共享数据。
</center>

<span id="more"></span>

<hr>
<h4 id="1-为什么要保护共享数据"><a href="#1-为什么要保护共享数据" class="headerlink" title="1 为什么要保护共享数据"></a>1 为什么要保护共享数据</h4><p>我们直接以一个测试用例，来演示，当任务并发访问某个共享的全局变量时，如果不对数据访问加以保护，会产生什么样的结果。</p>
<p>首先，我们将工程配置文件FreeRTOSConfig.h中的<code>configTICK_RATE_HZ</code>设置大一点：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="meta">#<span class="keyword">define</span> configTICK_RATE_HZ			( ( TickType_t ) 100 )</span></span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>这会让内核产生<code>Tick</code>中断频率更高，任务间地切换会更频繁，更容易暴露出多任务并发访问共享数据导致的错误。</p>
<p>我们定义一个任务：该任务就是对全局变量累加 <code>NUM</code> 次，然后输出结果。如下所示：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br><span class="line">20</span><br><span class="line">21</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="type">int32_t</span> g_variable = <span class="number">0</span>;</span><br><span class="line"><span class="meta">#<span class="keyword">define</span> NUM (100)</span></span><br><span class="line"></span><br><span class="line"><span class="type">void</span> <span class="title function_">task_func</span><span class="params">( <span class="type">void</span> *pvParameters )</span> &#123;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">    <span class="type">int</span> i = <span class="number">0</span>;</span><br><span class="line">    <span class="keyword">for</span>(;;) &#123;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">        <span class="comment">// 对g_variable 累加 NUM 次</span></span><br><span class="line">        <span class="keyword">if</span> (i &lt; NUM) &#123;</span><br><span class="line">            g_variable += <span class="number">1</span>;</span><br><span class="line">            i++;</span><br><span class="line">        &#125;</span><br><span class="line">        </span><br><span class="line">        <span class="comment">// 累加完了输出</span></span><br><span class="line">        <span class="keyword">if</span> ( i == NUM ) &#123;</span><br><span class="line">            SEGGER_RTT_printf(<span class="number">0</span>, <span class="string">&quot;end, g_variable:%d\n&quot;</span>,g_variable);</span><br><span class="line">            i++;  <span class="comment">// 加个1 避免一直输出</span></span><br><span class="line">        &#125;</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>使用上面的函数，创建3个任务，3个任务对<code>g_variable</code>共累加 <code>3*NUM</code> 次，因此<code>g_variable</code>最终的结果应该是<code>3*NUM</code>。main 函数如下：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="type">int</span> <span class="title function_">main</span><span class="params">(<span class="type">void</span>)</span> &#123;</span><br><span class="line">        </span><br><span class="line">    <span class="keyword">if</span> (pdPASS == xTaskCreate(task_func, <span class="string">&quot;task_a&quot;</span>, <span class="number">100</span>, <span class="literal">NULL</span>, <span class="number">1</span>, <span class="literal">NULL</span>)</span><br><span class="line">        &amp;&amp; pdPASS == xTaskCreate(task_func, <span class="string">&quot;task_b&quot;</span>, <span class="number">100</span>, <span class="literal">NULL</span>, <span class="number">1</span>, <span class="literal">NULL</span>)</span><br><span class="line">        &amp;&amp; pdPASS == xTaskCreate(task_func, <span class="string">&quot;task_c&quot;</span>, <span class="number">100</span>, <span class="literal">NULL</span>, <span class="number">1</span>, <span class="literal">NULL</span>))&#123;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">        SEGGER_RTT_printf(<span class="number">0</span>, <span class="string">&quot;start FreeRTOS\n&quot;</span>);</span><br><span class="line">        vTaskStartScheduler();</span><br><span class="line">    &#125; </span><br><span class="line">    </span><br><span class="line">    <span class="comment">// 正常启动后不会运行到这里</span></span><br><span class="line">    SEGGER_RTT_printf(<span class="number">0</span>, <span class="string">&quot;insufficient resource\n&quot;</span>);</span><br><span class="line">    <span class="keyword">for</span>( ;; );</span><br><span class="line">    <span class="keyword">return</span> <span class="number">0</span>;    </span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>烧录运行后应该可以看到如下输出：当所有累加操作完成后，输出符合期望，即：<code>g_variable == 3*NUM</code> </p>
<figure class="highlight plaintext"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">start FreeRTOS</span><br><span class="line">end, g_variable:100</span><br><span class="line">end, g_variable:200</span><br><span class="line">end, g_variable:300</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>现在，我们将累加次数<code>NUM</code>调高：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="meta">#<span class="keyword">define</span> NUM (100000)</span></span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>编译后，烧录运行。此时可以观察到，当所有累加操作完成后，输出的结果不符合期望：即：<code>g_variable != 3*NUM</code> </p>
<figure class="highlight plaintext"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">start FreeRTOS</span><br><span class="line">end, g_variable:206622</span><br><span class="line">end, g_variable:153253</span><br><span class="line">end, g_variable:206564</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>为什么会产生这样的结果？我们利用开发工具来查看下<code>g_variable += 1</code>这条 C 语句，所对应的汇编代码（keil工具点击Debug进入调试，点击菜单栏的view-&gt;Disassembly Window可以看到汇编代码）：将编译优化等级设置为-O0，关闭优化。开启编译器优化后的代码，一般会有指令重排，看起来会比较乱，没有下图的好解释。<br><img src="/2023/01/03/FreeRTOS-mutex/disassembly.png"></p>
<p>从上图，可以看到 <code>g_variable += 1</code>这条语句被翻译成了5 调汇编。<br>MOVW 和 MOVT 两条指令的最终结果是将寄存器 r1 设置为常量： 0x20000524<br>在keil的编译输出文件 xxx.map 中，搜索 <code>g_variable</code>，可以看到它的地址：就是 0x20000524</p>
<figure class="highlight plaintext"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">g_variable       0x20000524   Data    4  main.o(.bss.g_variable)</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>即，MOVW 和 MOVT 两条指令的作用是将 <code>g_variable</code> 的地址加载到 r1 寄存器中。<br>接着 LDR 就是从 r1中值所指示的地址处读取数据（即读取<code>g_variable</code>）并放入 r0 寄存器中。<br>之后 ADDS 指令，将 r0 寄存器中的值加1<br>最后 STR 指令，就 r0 中的值，写到 r1值所指示的地址处（即更新<code>g_variable</code>）。</p>
<p>综上，C 语言的一个更新变量操作<code>g_variable += 1</code>。<br>在汇编层面，并不是一条指令就能完成，实际是由多条指令完成的：</p>
<ul>
<li>将<code>g_variable</code>的值，从内存加载到到寄存器中 </li>
<li>寄存器中的值加 1    </li>
<li>寄存器中的数据写回内存</li>
</ul>
<p>而内核的任务调度，可能会在上述三条指令的任意一条后发生。那么，就可能会发生<code>任务A</code>正在更新变量<code>g_variable</code>的值，但还未完成更新时，内核进行了任务切换，让另一个<code>任务B</code>开始运行。而<code>任务B</code>刚好也在更新这个值，那么会发生错误。如下图所示：<br><img src="/2023/01/03/FreeRTOS-mutex/data_race.png"><br>如上图所示，当<code>task_a</code>将全局变量<code>g_variable</code>的值加载到了寄存器后，还未更新数据并写回。此时，发生切换，内核会先将当前的“现场”（即一些硬件寄存器中的值）保存在<code>task_a</code>自己的栈中，然后开始运行<code>task_b</code>，<code>task_b</code>也会更新<code>g_variable的值</code>。过了一段时间，再次发生任务切换，任务<code>task_a</code>恢复运行，内核会先将<code>task_a</code>栈中保存的“现场”数据恢复（这样<code>task_a</code>的运行状态就会和被打断前一致），之后执行 加 1 操作，以及写回操作。 此时，写回变量<code>g_variable</code>的值，是<code>task_a</code>被中断前记录的旧值 + 1，而不是<code>task_b</code>更新后的值 + 1。 最终，导致了数据结果不符合预期。</p>
<p>这个例子中，共享资源只是一个 全局整型变量。有时，我们可能需要自定义一种结构体数据，并且定义了一个该类型的共享变量。如下所示：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="class"><span class="keyword">struct</span> <span class="title">MyData</span>&#123;</span></span><br><span class="line">    <span class="type">int</span> field_0;</span><br><span class="line">    <span class="type">int</span> field_1;</span><br><span class="line">    <span class="type">int</span> field_2;</span><br><span class="line">&#125;;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">MyData var;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>我们定义了一个 结构体类型变量<code>MyData var;</code>，该变量会被多个任务并发读&#x2F;写。假设，每次写它时，需要写它的三个域；每次读时，也要读三个域的值。如下所示:</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="comment">// write</span></span><br><span class="line">var.field_0 = xx;</span><br><span class="line">var.field_1 = xx;</span><br><span class="line">var.field_2 = xx;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"><span class="comment">//read </span></span><br><span class="line"><span class="keyword">if</span> (var.field_0 == xx </span><br><span class="line">    &amp;&amp; var.field_1 == xx</span><br><span class="line">    &amp;&amp; var.field_2 == xx) &#123;</span><br><span class="line">        ....</span><br><span class="line">    &#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>对于这种情况，在 C 语言层面上的，写和读 就已经是多条语句了。所以不仅写需要操作需要保护（要么不执行，要么一次三个域都写完），读操作也需要进行保护（要么不读，要么三个域一起读完），否则读到一半，切换到另一个也会修改该变量的任务，等一段时间后又切换回被打断的这个任务，那么读到的三个域，就是部分属于旧值，部分属于新值（切换的那个任务修改的）。</p>
<h4 id="2-如何保护对共享数据的访问"><a href="#2-如何保护对共享数据的访问" class="headerlink" title="2 如何保护对共享数据的访问"></a>2 如何保护对共享数据的访问</h4><p>了解了问题产生原因，那么如何解决这种问题？ 如果对共享资源的访问操作（如<code>g_variable += 1</code>）是“原子操作”。即，要么执行了，要么没执行，不出现执行到一半被打断的情况。那就能保证数据的最终结果是符合预期的。</p>
<p>因此，当有多个任务并发访问共享数据时，我们需要让访问操作成为“原子操作”，要么不执行，执行就一定执行完。 或者说构建一个临界区，将访问操作保护起来，只要有一个任务在临界区中访问数据，该任务退出临界区前，其它任务就不能进入临界区。如下图所示：<br><img src="/2023/01/03/FreeRTOS-mutex/critical.png"></p>
<p>FreeRTOS实现临界区的办法很多：</p>
<h5 id="2-1-临时关闭中断实现临界区"><a href="#2-1-临时关闭中断实现临界区" class="headerlink" title="2.1 临时关闭中断实现临界区"></a>2.1 临时关闭中断实现临界区</h5><p>在<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/12/25/FreeRTOS-interrupt-nesting/">FreeRTOS-硬件中断嵌套模型和内核临界区</a>一文中，我们介绍了FreeRTOS通过临时关闭中断的方式，实现了多任务可以安全地并发访问内核资源。例如，当我们创建多个任务，当这些任务均会向同一个消息队列中发送&#x2F;提取 消息时（这会涉及到消息队列内部数据的变动，如果不加保护，多任务并发访问时肯定会破坏内部数据状态），我们直接使用FreeRTOS的发送&#x2F;提取消息 API，不需要考虑多任务&#x2F;中断处理函数并发访问消息队列时，如何保证消息队列内部数据结构不被破坏，因为内核在这些 API 内部已经实现了临界区，将对消息队列的访问过程进行了保护，使得消息队列内部数据状态不会被因任务并发访问而被破坏。<br>内核的实现临界区的方式，就是临时屏蔽中断（进入临界区），这样可以避免内核任务切换，以及其它中断的抢占，实现对共享数据的互斥访问。当访问完成后，再取消屏蔽（退出临界区）。</p>
<p>但关闭中断的方式，过于粗糙。毕竟中断都是用来响应重要事件，临时屏蔽中断很可能会导致一些重要事件的响应被延迟。因此，非必要的情况下，不应该使用这种方式。</p>
<h5 id="2-2-临时关闭内核任务调度"><a href="#2-2-临时关闭内核任务调度" class="headerlink" title="2.2 临时关闭内核任务调度"></a>2.2 临时关闭内核任务调度</h5><p>另一种实现临界区的方式，是通过<code>vTaskSuspendAll</code>临时关闭内核的任务调用（进入临界区），共享资源访问结束后，再通过<code>xTaskResumeAll</code>恢复内核任务调度（退出临界区）。</p>
<p>不过， <code>vTaskSuspendAll</code> 只关闭了内核任务调度，避免了任务间的切换。但是，中断此时仍是正常使能的。</p>
<p>如果只是多个任务会并发的访问共享资源，通过临时关闭内核任务调度功能来实现临界区是可行的，任务在访问数据期间不会切换，也就不会出现任务访问共享数据一半时，内核切换到其它任务（该任务也访问共享数据）的情况。</p>
<p>任务调度的挂起操作虽然开销很低（更新内部标记变量），但是任务调度的恢复操作开销可能会很高。因为，在调度关闭过程中，大量内核<code>tick</code>中断中的内核任务调度相关工作都被延迟到了 任务调度恢复的时候再执行。</p>
<h5 id="2-3-使用互斥量"><a href="#2-3-使用互斥量" class="headerlink" title="2.3 使用互斥量"></a>2.3 使用互斥量</h5><p>对于应用开发来说，互斥量（mutex）是实现临界区最合适工具。FreeRTOS 提供的互斥量，实际上是一种特殊的<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/12/15/FreeRTOS-use-binary-semaphore/">二值信号量</a>。FreeRTOS的互斥量，就是在二值信号量的基础上增加了优先级继承特性，优先级继承特性使得互斥量相比普通的二值信号量，能最小化<a href="https://fengxun2017.github.io/2023/01/07/FreeRTOS-priority-inversion/">优先级反转</a>带来的负面影响，更适用来实现临界区，保护数据的访问过程。</p>
<p>我们可以将互斥量理解成一把钥匙，每次访问共享资源前（进入临界区），必须需要先拿到钥匙，否则就不允许访问，任务可以原地阻塞等到可以拿到钥匙，或者返回拿不到钥匙的错误信息。 一旦拿到钥匙（进入了临界区中），就可以安全的访问共享资源了（因为此时不会有其它人拿到钥匙），等访问结束，将钥匙还回去，这样后续的其它访问请求就能拿到钥匙，继而访问数据，如下图所示：<br><img src="/2023/01/03/FreeRTOS-mutex/lock.png"><br>可以发现，使用互斥量实现临界区来保护数据的访问过程，依赖于开发者保持一致的协议。即所有访问请求，必须拿到钥匙后才能执行后续访问，访问完成需要还回钥匙。如果，和你协作的开发者不遵守这个约定，不请求获取钥匙就直接去访问共享数据，那么数据的访问过程就不再是受保护的了。</p>
<p>由于互斥量本身就是属于一种特殊地二值信号量。因此，内核实现互斥量地原理和实现信号量地原理是一样地，都是基于内核消息队列来实现的（更详细的原理解释，可以参考文章<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/12/15/FreeRTOS-use-binary-semaphore/">二值信号量</a>的第二节内容）。<br>创建一个互斥量，实际是创建一个大小为 1 的消息队列来，并且初始状态下，该消息队列中就存储了一个“消息”（只是内部的一个计数表示存在一个消息，没有实际存储）。<br>获取钥匙，就是从该消息队列中提取消息，如果没有消息（钥匙被别人拿走了），就原地阻塞，或者返回错误信息。<br>返还钥匙，就是向该消息队列中发送一个消息。此时如果刚好存在其它任务在等待“钥匙”，就能立刻获取到钥匙了。</p>
<p>在FreeRTOS中，互斥量的操作API 有部分是和信号量公用的（毕竟互斥量本身就是一种特殊的二值信号量）。<br>使用互斥量，首先需要在工程配置文件FreeRTOSConfig.h 中添加宏定义：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="meta">#<span class="keyword">define</span> configUSE_MUTEXES   (1)</span></span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p><strong>创建互斥量的 API 为</strong>：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">SemaphoreHandle_t <span class="title function_">xSemaphoreCreateMutex</span><span class="params">( <span class="type">void</span> )</span>;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<ul>
<li>返回值为NULL，表示创建失败。否则，返回的就是用来识别所创建的互斥量的句柄。<br></li>
</ul>
<p><strong>获取互斥量（拿到钥匙）的 API为</strong>： 和获取信号量的API为同一个</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">BaseType_t <span class="title function_">xSemaphoreTake</span><span class="params">( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait )</span>;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<ul>
<li>xSemaphore：互斥量句柄，创建API 的返回值。</li>
<li>xTicksToWait：如果当前“钥匙”已经被人拿走了，任务想原地阻塞，等待“钥匙”被其它访问者还回来时。该值就是设置最长等待多久。如果为0，表示不等待，立刻返回结果。</li>
<li>返回值：<ul>
<li>pdPASS-成功获取到“钥匙”，可以安全访问数据了。</li>
<li>pdFAIL-没有获取到“钥匙”，说明有其它访问者正在访问，此时任务不应该访问共享数据。</li>
</ul>
</li>
</ul>
<p><strong>返还互斥量（返还钥匙）的 API为</strong>：和设置信号量的API 为同一个</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">BaseType_t <span class="title function_">xSemaphoreGive</span><span class="params">( SemaphoreHandle_t xSemaphore )</span>;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<br>

<p><strong>需要注意的是：互斥量不能在中断环境中使用（普通的信号量是可以的）！ 这是由于互斥量含有的优先级继承特性（<a href="https://fengxun2017.github.io/2023/01/07/FreeRTOS-priority-inversion/">参考文章：优先级反转</a>），是和当前持有该互斥量的任务的优先级关联的。 而中断是没有任务优先级概念的！</strong></p>
<p>现在，我们来使用互斥量，解决文章开始例子中多任务对全局变量 <code>g_variable</code> 并发访问造成的结果不符合期望的问题。</p>
<p>我们使用互斥量实现临界区，将<code>g_variable += 1</code>操作保护起来，如下所示：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br><span class="line">20</span><br><span class="line">21</span><br><span class="line">22</span><br><span class="line">23</span><br><span class="line">24</span><br><span class="line">25</span><br><span class="line">26</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="type">int32_t</span> g_variable = <span class="number">0</span>;</span><br><span class="line"><span class="meta">#<span class="keyword">define</span> NUM (100000)</span></span><br><span class="line"></span><br><span class="line"><span class="type">void</span> <span class="title function_">task_func</span><span class="params">( <span class="type">void</span> *pvParameters )</span> &#123;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">    SemaphoreHandle_t mutex = (SemaphoreHandle_t)pvParameters;</span><br><span class="line">    <span class="type">int</span> i = <span class="number">0</span>;</span><br><span class="line">    <span class="keyword">for</span>(;;) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="keyword">if</span> (i &lt; NUM) &#123;</span><br><span class="line">            <span class="comment">// 只有成功获取到互斥量时，才能访问</span></span><br><span class="line">            <span class="keyword">if</span> (pdPASS == xSemaphoreTake(mutex, <span class="number">0</span>)) &#123;</span><br><span class="line">                g_variable += <span class="number">1</span>;</span><br><span class="line">                i++;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">                <span class="comment">// 访问结束，返还互斥量</span></span><br><span class="line">                xSemaphoreGive(mutex);</span><br><span class="line">            &#125;</span><br><span class="line">        &#125;</span><br><span class="line">        </span><br><span class="line">        <span class="keyword">if</span> ( i == NUM ) &#123;</span><br><span class="line">            SEGGER_RTT_printf(<span class="number">0</span>, <span class="string">&quot;end, g_variable:%d\n&quot;</span>,g_variable);</span><br><span class="line">            i++;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">        &#125;</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>main 函数代码如下：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br><span class="line">20</span><br><span class="line">21</span><br><span class="line">22</span><br><span class="line">23</span><br><span class="line">24</span><br><span class="line">25</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="type">int</span> <span class="title function_">main</span><span class="params">(<span class="type">void</span>)</span> &#123;</span><br><span class="line">    </span><br><span class="line">    SemaphoreHandle_t mutex;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">    <span class="comment">//创建互斥量</span></span><br><span class="line">    mutex = xSemaphoreCreateMutex();</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">    <span class="comment">// 创建三个任务，并将互斥量作为参数传递给任务</span></span><br><span class="line">    <span class="keyword">if</span> (<span class="literal">NULL</span> != mutex) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="keyword">if</span> (pdPASS == xTaskCreate(task_func, <span class="string">&quot;task_a&quot;</span>, <span class="number">100</span>, mutex, <span class="number">1</span>, <span class="literal">NULL</span>)</span><br><span class="line">            &amp;&amp; pdPASS == xTaskCreate(task_func, <span class="string">&quot;task_b&quot;</span>, <span class="number">100</span>, mutex, <span class="number">1</span>, <span class="literal">NULL</span>)</span><br><span class="line">            &amp;&amp; pdPASS == xTaskCreate(task_func, <span class="string">&quot;task_c&quot;</span>, <span class="number">100</span>, mutex, <span class="number">1</span>, <span class="literal">NULL</span>))&#123;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">            </span><br><span class="line">            SEGGER_RTT_printf(<span class="number">0</span>, <span class="string">&quot;start FreeRTOS\n&quot;</span>);</span><br><span class="line">            vTaskStartScheduler();</span><br><span class="line">        &#125; </span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">    </span><br><span class="line">    <span class="comment">// 正常启动后不会运行到这里</span></span><br><span class="line">    SEGGER_RTT_printf(<span class="number">0</span>, <span class="string">&quot;insufficient resource\n&quot;</span>);</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">    <span class="keyword">for</span>( ;; );</span><br><span class="line">    <span class="keyword">return</span> <span class="number">0</span>;    </span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>编译后烧录运行，结果如下：可以发现最终结果是服务期望的了</p>
<figure class="highlight plaintext"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">start FreeRTOS</span><br><span class="line">end, g_variable:246888</span><br><span class="line">end, g_variable:271449</span><br><span class="line">end, g_variable:300000</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>运行的时候，可以发现一个问题，就是运行时间变长了。<br>这是因为三个任务都在频繁的竞争“钥匙”，耗费了大量时间。并且由于 任务a 获得“钥匙”后，如果内核切换到了 任务b，上面的代码中由于任务b 拿不到“钥匙”，一直在空转，直到内核再次切换任务。这也浪费了很多时间。<br>将 <code>if (pdPASS == xSemaphoreTake(mutex, 0))</code> 改为 <code>if (pdPASS == xSemaphoreTake(mutex, pdMS_TO_TICKS(100))) </code>，可以提高运行速度。因为，设置了等待时间，那么任务拿不到“钥匙”时就会阻塞而不是一直空转，这样持有“钥匙”的任务就能尽快恢复运行，继而返还“钥匙”，让其它任务能获得“钥匙”并访问数据。</p>
<p>多线程（FreeRTOS中为多任务）的数据竞争问题（并发或并行访问共享数据），不管是在PC平台中，还是在嵌入式平台中，都是一个很复杂的主题，实际开发中会有很多涉及效率和数据安全的问题，例如：</p>
<ul>
<li>临界区应该尽可能的小：在实际开发中，当使用互斥量实现临界区对数据访问过程进行保护时，应该让临界区尽可能地“小”（临界区内执行的耗时尽可能地短），这样可以减少多任务因为竞争“钥匙”造成的运行效率损失， 特别是在多核系统中，临界区的存在会使得多线程并行转成串行（执行临界区保护的那段数据访问过程）。所以，临界区越小越好。</li>
<li>尽量不使用递归互斥量：互斥量一旦被一个任务持有了，其它任务就不可能再获取到，只有持有互斥量的任务释放了互斥量，其它任务才能获取到。 并且，当任务a 已经持有互斥量b 时，任务a 不能再次去获取互斥量 b。因为互斥量b 已经被获取了，不管它是被谁获取的。<br>但是，可递归互斥量（有一套独立的API），允许任务a 再持有信号量b 的情况下，再次获取信号量b。但实际开发中，我们应该避免使用可递归互斥量，它会增加复杂性，语义也没有一般互斥量那么明确（任何时候只能被一个任务持有一次）。如果你需要使用可递归互斥量，首先应该考虑的是软件结构能否优化？尽量避免使用它。</li>
<li>小心死锁问题：这是个教科书里都会介绍的基本问题，但开发中仍旧很容易碰到，网上有很多针对死锁问题的资料。</li>
<li>中断处理函数需要访问共享数据怎么办？：前文提到，中断中不能使用互斥量（中断没有任务优先级的概念，而互斥量会和持有它的任务的优先级关联）。因此，涉及到中断服务中访问共享数据，可以创建一个额外的任务，使用信号量同步中断事件给该任务，并在该任务中执行访问共享数据的实际操作（等于将访问操作延后了，延后到中断退出后，在一个普通任务中再执行数据访问）。或者使用FreeRTOS提供的延后执行机制将。可以参考文章：<a href="https://fengxun2017.github.io/2022/12/01/FreeRTOS-deferring-work/">FreeRTOS-延后执行机制</a></li>
</ul>
<br>
ps：需要注意文章代码中的日志输出函数，产品代码中如果需要使用的话，需要考虑线程安全性（多任务安全性），因为中断/任务切换可能发生在另一个任务正在输出日志但还未输出完的时候，这就可能造成日志错乱

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FreeRTOS交流QQ群-663806972










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      <strong>本文作者： </strong>feng xun
  </li>
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      <strong>本文链接：</strong>
      <a href="http://fengxun2017.github.io/2023/01/03/FreeRTOS-mutex/" title="FreeRTOS-使用互斥量（mutex）保护共享数据">http://fengxun2017.github.io/2023/01/03/FreeRTOS-mutex/</a>
  </li>
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    <strong>版权声明： </strong>本博客所有文章除特别声明外，均采用 <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.zh" rel="noopener" target="_blank"><i class="fab fa-fw fa-creative-commons"></i>BY-NC-SA</a> 许可协议。转载请注明出处！
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